清华薛其坤、李渭&华科徐刚Nano letters:FeSe薄膜中向列畴界的边缘态


【引言】

FeSe是一种能够实现超导增强、拓扑非平庸边缘态及拓扑超导的新奇材料,载流子注入和晶格畸变是操纵其电子性质的两个主要因素。在低温下,铁基超导体中电子结构的旋转对称性被破坏,形成向列相,其在实验中表现为可观测的电子各向异性。对于大部分铁基超导体,载流子掺杂可抑制向列相,从而产生超导电性。在向列畴的交界处(畴界),由于互相垂直的向列畴的交叠,其向列性也被破坏。因此,畴界提供了一个研究电子特殊拓扑性质的全新平台。受限于样品制备和精密测量等方面,关于畴界上的向列性的抑制及拓扑电子态的研究尚未报道。

【成果简介】

近日,清华大学李渭、薛其坤和华中滚球体育 大学徐刚(共同通讯作者)等人利用分子束外延法(MBE)在STO衬底上生长出~20UC的FeSe薄膜,并使用STM研究了FeSe薄膜中畴界处的电子结构。研究人员在费米能级处观察到拓扑边缘态,其表现为:在畴界两侧空间上形成两个清晰的条状电子态。同时,在畴界的交点处可进一步观察到钉扎在费米能级的束缚态。密度泛函理论计算理论分析很好地解释了该边缘态的拓扑起源。该发现表明FeSe畴界极有可能是实现量子自旋霍尔态(QSH)的一种候选材料,同时也为在单组分材料中实现拓扑超导性提供了新的思路。相关成果以题为“Edge states at nematic domain walls in FeSe films”发表在Nano letters上。

【图文导读】

图一 FeSe畴界内向列性的抑制


(a)STO衬底上生长的~20UC FeSe薄膜的原子分辨STM形貌图,由于FeSe薄膜内具有很强的向列性使得Se原子沿着Se-Se晶格对角线方向被明显拉长
(b)孪晶畴中的被拉长的Se原子以及畴边界上未被拉长的Se原子

图二 ~20 UC FeSe/STO的向列性畴界


(a,b)向列畴界的电子态密度空间分布图。在-50 meV和70 meV处畴界具有相反的对比度,橙色箭头表示几个畴界的交叉点
(c)FeSe薄膜的STM形貌图像。如图中橙色虚线所示,交叉点均有四个畴界穿过

图三 ~20 UC FeSe/STO畴界的边缘态以及电子结构


(a)畴界的三维STM形貌图
(b、c)沿着(a)中的虚线给出空间分辨的大能量范围的dI/dV谱,可以看到,特征峰在畴界区域向上移动了~35 meV
(d、e)沿着(a)中的虚线给出空间分辨的小能量范围的dI/dV谱,其中,在0 meV和-10 meV出现两个清晰的峰
(f、g)分别为-10 meV和0 meV处的电子态密度的空间分布。扫描区域和(a)一致。(g)展示了清晰的边缘态

图四 畴界交叉点的束缚态


(a、b)图1c中交叉点电子态密度分布图。交叉点处的束缚态在(a)中清晰可见(白色箭头)
(c)交点处的dI/dV

图五 奇偶FeSe层的能带结构和拓扑边缘态


(a、b)分别表示单层和双层FeSe的计算带结构,红色菱形表示Fe原子的dyz/dxz轨道的能带投影图,蓝色圈表示dz2轨道
(c、d)分别表示单层和双层FeSe沿着(110)方向的拓扑边缘态。在实验中,奇数和偶数薄膜中均观测到了清晰的拓扑边缘态,但其拓扑起源是不同的。其中,奇数层的拓扑性受时间反演和反铁磁基态保护,而偶数层的拓扑性受滑移镜面对称性保护

【小结】

FeSe中拓扑边缘态的发现,为未来低功耗电子器件的开发提供了新的候选体系。另外,边缘态和束缚态的特征能量均位于费米能级处,说明该体系的化学势正好位于反转能隙的中心。因此,在超导FeSe薄膜中引入畴界为实现拓扑超导提供了新的思路,其优点为可避免引入掺杂、异质结结构等复杂性,在单组份材料中实现拓扑超导。

文献连接:Edge states at nematic domain walls in FeSe films(Nano letters, 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b03282)

本文由材料人编辑部计算材料组杜成江编译供稿,欧洲足球赛事 整理编辑。

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